本文由来自哥伦比亚大学生物医学工程系（部分作者同时供职于放射学系）的Sergio Jiménez-Gambín, Sua Bae, Robin Ji, Fotios Tsitsos和Elisa E. Konofagou团队完成，并于2024年10月发表在《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》期刊上（卷71，期10，页码1172-1185，DOI：10.1109/TUFFC.2024.3451289）。
本研究主要聚焦于生物医学工程领域，特别是聚焦超声（Focused Ultrasound, FUS）介导的无创、靶向治疗技术。其学术背景基于一个关键的临床挑战：如何安全、有效地将治疗性药物递送至大脑。血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）在保护大脑的同时，也阻碍了绝大多数药物进入中枢神经系统。目前，结合静脉注射微泡（Microbubbles）的FUS技术已被证明能够可逆、局部地开放血脑屏障，从而实现靶向药物递送，这在小鼠、非人灵长类动物乃至人类临床试验中均得到验证。然而，现有技术存在局限性：使用单阵元换能器进行多靶点治疗需要多次重新定位、重新涂抹耦合剂和多次注射微泡，耗时耗力；而能提供像差校正和动态聚焦的多阵元相控阵系统则成本高昂、电子系统复杂，限制了其在研究和临床中的广泛应用。声学全息（Acoustic holograms）作为一种新兴的波前调制技术，通过3D打印的被动相位调制结构，能够利用单一换能器产生复杂的声场，理论上可以克服上述限制，实现像差校正、多焦点同时聚焦，且换能器位置可与靶点独立。尽管此前声学全息技术已在体外、小鼠活体模型中展示潜力，但尚未在大型活体动物（如非人灵长类）身上验证其用于双侧血脑屏障开放的可行性与安全性。因此，本研究旨在首次在活体非人灵长类动物模型中，验证结合声学全息、神经导航和机器人手臂的单阵元FUS系统，实现高效、安全、高度局域化的双侧血脑屏障同时开放，并评估其作为低成本、高效能治疗方案的潜力。
研究的详细工作流程包含多个相互衔接的步骤，主要分为全息图设计仿真、离体验证校准、活体治疗实施与评估三大部分。
首先，研究团队以一只成年雄性恒河猴（体重14.2公斤，8岁）为研究对象。治疗规划始于医学影像采集：通过计算机断层扫描获取头部CT图像，用于定义颅骨、大脑和肌肉的3D几何结构及其声学特性（密度、声速、吸收）；通过T1加权磁共振成像确定双侧靶点——尾状核和壳核的精确坐标，这两个结构与帕金森病相关，在本研究中作为治疗相关结构的代表。所有影像数据导入神经导航系统（Brainsight, Rogue Research）用于规划。
其次，声学全息图的核心设计基于“时间反转”模拟方法。研究使用K-wave工具箱的GPU优化声学包在Matlab中进行伪谱法模拟。具体流程是：在目标位置（如双侧尾状核）放置两个虚拟声源，模拟声波从这些虚拟源反向传播，直至到达换能器前方的全息图设计表面，记录下该表面的相位波前。接着，利用法布里-珀罗谐振腔表达式将相位信息转换为全息图表面的高度分布。为了改善制造可行性和性能，研究采用了相位解缠算法，并对活体实验用的全息图进行了两次额外的迭代模拟，以均衡左右焦点之间的压力差异（双焦点压力差异，Bifocal Pressure Disparity, BPD）。全息图及固定它的耦合锥使用Formlabs的透明树脂3D打印制成。研究共设计了六个不同的双焦点全息图：四个用于离体研究（靶向尾状核和壳核的各两个，分别包含和不包含颅骨像差校正），两个用于活体研究（均包含颅骨像差校正，并考虑了完整的头部组织模型）。
第三，在活体治疗前，进行了离体验证以校准仿真与实验间的透颅衰减关系。使用一块离体的恒河猴颅骨碎片，将其脱气后浸入水槽。通过3D打印的颅骨支架确保其在实验中的位置与仿真中一致。利用针式水听器在三维定位系统的控制下扫描测量经过全息图调制并穿透颅骨碎片后的声压场分布。将测量结果与相应的仿真预测进行对比，主要评估焦点位置、分离距离、半高全宽以及衰减程度的一致性。这一步至关重要，它验证了仿真流程和材料属性的准确性，并为后续活体实验的压力参数补偿提供了依据。
第四，基于完整的活体头部模型（包含肌肉、颅骨、大脑），团队进行了全息图性能的仿真评估，重点关注两个额外方面：1）颅内容积效应：比较了三种配置——无全息图的单阵元换能器（像差存在）、针对完整头部模型设计的双焦点全息图、以及针对“开放式”颅骨（移除颅底、大脑和肌肉，模拟离体条件）设计的全息图。评估指标包括焦点偏移、焦点尺寸和总衰减。结果显示，考虑完整颅内容积设计的全息图能最佳地校正像差并减少衰减。2）定位误差鲁棒性：评估了换能器-颅骨相对位置发生线性（±5 mm）和角度（±5°）误差时，对左右焦点峰值压力的影响。仿真表明，角度误差在±5°范围内影响不大，但线性误差，特别是在前后和左右方向，对焦点压力影响显著，亚毫米级的定位精度对于确保血脑屏障开放成功至关重要。
第五，进入活体血脑屏障开放程序。实验分两次进行，分别靶向双侧尾状核和双侧壳核。动物麻醉后，将安装了声学全息图的单阵元FUS换能器通过机器人手臂精确定位，并由神经导航系统实时跟踪。定位精度达到线性误差≤0.1 mm，角度误差≤0.1°。系统还共轴安装了一个线性阵列换能器用于被动空化成像监测。治疗时，静脉注射Definity微泡，然后施加513 kHz的FUS（脉宽10 ms，脉冲重复频率2 Hz，持续4分钟）。针对尾状核和壳核，分别使用了0.5 MPa和0.6 MPa的声压（经颅衰减补偿后），其中补偿值在仿真预测的衰减基础上增加了5%，以抵消仿真中可能未考虑的剪切波等因素造成的额外损失。
第六，治疗后评估。在注射钆对比剂约60分钟后进行T1加权MRI扫描，通过对比增强来评估血脑屏障开放的位置和体积。同时，进行T2加权MRI和磁敏感加权成像以检查是否存在脑水肿或出血等神经损伤。使用图像处理软件（如ITK-SNAP）分割靶区，并通过自动阈值法量化对比增强体积，区分靶区内开放体积和脱靶开放体积。
研究取得了一系列明确的结果。离体验证结果显示，针对尾状核和壳核设计的全息图，其仿真与实验测量的声场分布具有良好的一致性。焦点分离距离、轴向位置和焦点尺寸的仿真与实验值接近。然而，也观察到仿真普遍低估了透颅衰减约10.3±1.5%，这提示实际颅骨的声学特性（尤其是吸收）与CT影像转换的模型存在差异。此外，实验中出现了一些仿真中未预测到的旁瓣。
仿真评估结果证实：考虑完整头部组织（颅内容积）设计全息图，能够实现最佳的像差校正（焦点偏移为0）、最小的焦点尺寸（轴向尺寸减少39%）以及最低的透颅衰减（比无全息图的像差情况减少10.2%）。定位误差鲁棒性分析进一步明确了活体操作的要求：角度误差容忍度较高，但前后和左右方向的线性定位误差必须控制在亚毫米级，否则焦点压力可能下降超过50%，导致血脑屏障开放失败。
活体血脑屏障开放结果是本研究的关键发现： 1. 双侧尾状核开放：成功实现了双侧同时开放。仿真预测的焦点分离距离为9.40 mm，开放体积为124.52 mm³。实际MRI显示的两个开放区域中心间距为13.13 mm，略大于预测；量化开放体积为100.82 mm³，其中靶区内开放体积为91.81 mm³，达到预测值的74%。存在少量（9.02 mm³）脱靶开放。 2. 双侧壳核开放：同样成功实现双侧开放。仿真预测分离距离22.32 mm，开放体积156.42 mm³。实际开放区域中心间距21.74 mm，与预测高度吻合；总开放体积达503.72 mm³，其中靶区内开放体积为145.38 mm³（达到预测值的93%），但脱靶开放体积较大，为358.34 mm³。脱靶区域主要位于大脑中动脉等高血管密度区，且呈对称分布。 3. 安全性：两次治疗后的T2加权和磁敏感加权成像均未观察到脑水肿或出血迹象，表明该方法是安全的。 4. 靶向精度：双侧开放区域的中心点与仿真预测的双侧焦点中心点之间的平均偏差仅为0.93±0.33 mm，达到了亚毫米级的靶向精度。
基于以上结果，本研究得出的核心结论是：首次在活体非人灵长类动物模型中，成功验证了声学全息图辅助的单阵元FUS系统用于双侧血脑屏障开放的可行性、能力和安全性。该方法实现了无像差、高度局域化、多焦点同时的血脑屏障开放，且具有换能器位置与靶点独立、单次微泡注射、单次耦合剂使用等高效特点。研究证明，3D打印声学全息图为神经导航FUS治疗提供了一种新颖、简单、低成本的替代方案，有望推动该技术向临床转化。
本研究的科学价值在于，它突破了传统单阵元或多阵元FUS系统在实现高效多靶点治疗方面的技术瓶颈，为声学波前调制技术在大型活体生物医学应用上提供了关键概念验证。其应用价值显著：所展示的低成本、简易化系统架构，降低了FUS-BBBO技术在研究实验室和临床机构广泛部署的门槛，为脑部疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病等）的靶向药物治疗开辟了新途径。
本研究的亮点包括：1) 首次在大型活体动物中实现全息图辅助的双侧BBB开放，是技术从原理验证向实际应用迈进的重要一步。2) 方法学创新：结合了声学全息、神经导航和机器人手臂，实现了亚毫米级精度的靶向与独立的换能器定位。3) 系统性验证：工作流程完整，涵盖从仿真设计、离体校准到活体实验的全链条，并对颅内容积效应和定位误差鲁棒性进行了深入分析，为技术优化提供了明确指导。4) 明确了优势与局限：成功展示了该方法的效率与安全性优势，同时也客观揭示了其当前局限性——在强偏转的双焦点配置下，由于焦点增益降低，可能导致脱靶开放风险增加，尤其是在使用较高声压时。
其他有价值的讨论点包括：研究指出了未来改进方向，如采用更大孔径的换能器以提高焦点与背景压力比；在仿真中纳入弹性模型以考虑剪切波影响；改进全息图设计方法（如使用可微分声学方法）；以及开发适用于多焦点监测的被动空化成像技术。作者还将自己的工作与近期一项使用多阵元换能器结合声学全息图的研究进行了对比，突出了本研究在成本、复杂度和像差校正方面的特点，并展望了未来将电子可调谐全息图与单阵元换能器结合，实现动态聚焦与高选择性靶向的理想前景。这项研究为利用简单、低成本的硬件实现复杂、精准的超声神经治疗提供了强有力的证据和新的发展思路。